МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ДГТУ)
Л.Г. ЕРЕМЕНКО
РАБОТА С ПРОГРАМНЫМ КОМПЛЕКСОМ
ANSYS
Учебное пособие
Ростов - на - Дону
2012
ББК 32.973.26-018.2
УДК 539.3/.6:004.9(075.8)
Еременко Л.Г.
Е70 Работа с программным комплексом ANSYS: учеб. Пособие / Л.Г. Еременко. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2012 – с.
Приведены основные возможности программного комплекса ANSYS, основные файлы, библиотека конечных элементов, основные элементы. Даны инструкции по работе с препроцессором с подробными примерами.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Донского государственного технического университета
Научный редактор д.т.н., проф. В.П. Жаров
©Еременко Л.Г., 2012
©Издательский центрДГТУ,2012
Введение
Широкое распространение современной вычислительной техники за последние 20 лет существенно изменило процесс инженерной деятельности. Появление на рынке программного обеспечения современных комплексов CAD и САЕ позволяет ускорять процессы проектирования и исследования различных конструкций, в том числе и машиностроительных. Использование современных методов вычислений, реализованных в комплексах CAD, дает возможность проводить исследования различных характеристик проектируемых объектов, что позволяет менять конструкцию этих объектов без создания экспериментальных образцов и не прибегать к длительной и дорогостоящей процедуре натурных исследований.
Среди средств САЕ (средств обеспечения исследований) важное место занимают комплексы метода конечных элементов (МКЭ, FEA), позволяющие проводить имитационное моделирование работы исследуемой конструкции на основе подробного описания ее геометрии, физики моделируемых процессов, свойств применяемых материалов, эксплуатационных характеристик и иных указываемых пользователем исходных и начальных данных. Среди комплексов МКЭ можно указать такие продукты, как Диана, ИСПА, ANSYS, COSMOS, MSC/NASTRAN, SAMSEF, и другие.
Комплекс МКЭ ANSYS позволяет инженерам-исследователям проводить исследования не только характеристик динамики и прочности машиностроительных, строительных и иных конструкций (то есть расчеты задач механики деформируемого твердого тела, МДТТ), но и расчеты задач расчета полей температур, динамики жидкости и газа, электромагнитных и акустических полей.
Комплекс МКЭ ANSYS применительно к прочности позволяет решать задачи статические (линейные, а также физически и геометрически нелинейные), определять собственные частоты модели (собственные колебания), исследовать поведение модели при воздействии гармонически изменяющихся нагрузок (вынужденные колебания), задачи линейной и нелинейной устойчивости, а также линейные и нелинейные динамические переходные процессы и т. д. (возможности комплекса описаны в следующем пункте).
1. Основные возможности комплекса МКЭ ANSYS.
Комплекс МКЭ ANSYS предназначен для расчета задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ), температурных задач, задач механики жидкости и газа, а также расчета электромагнитных полей. Кроме того, комплекс обладает возможностью расчета связанных задач, в которых результаты расчета для одной среды (например, поля температур) могут быть использованы в качестве исходных нагрузок для расчета других сред (например, для вычисления распределения напряжений в нагретой детали).
Применительно к механике деформируемого твердого тела (МДТТ) комплекс ANSYS позволяет решать следующие задачи:
- линейные и нелинейные статические задачи (нелинейности могут быть геометрические и физические);
- задачи расчета собственных форм и частот колебаний;
- задачи расчета вынужденных колебаний;
- задачи определения собственных форм потери устойчивости;
- задачи исследования динамических переходных процессов (в том числе ударного взаимодействия);
- спектральные задачи.
Кроме того, комплекс ANSYS позволяет проводить оптимизацию конструкций, допускает применение суперэлементов (подконструкций), и имеет целый ряд дополнительных возможностей. К таким возможностям относятся следующие:
уточненный расчет НДС в локальных зонах;
построение адаптивных сеток;
расчет циклически симметричных конструкций;
расчет задач механики разрушения;
определение характеристик выносливости;
Для выполнения различных этапов создания сетки конечных элементов и проведения расчетов комплекс разделен на ряд модулей. Модули имеют свои названия и выполняют следующие функции:
препроцессор PREP7 - предназначен для создания геометрической и расчетной моделей и приложения нагрузок;
модуль проведения вычислений SOLUTION - предназначен для указания опций расчета и проведения вычислений;
постпроцессор POST1 - предназначен для просмотра результатов для определенного шага нагрузки на полной модели;
постпроцессор POST26 - предназначен для просмотра результатов в определенном узле и (или) элементе для полной последовательности шагов нагрузки;
модуль импорта геометрической информации AUX15 - предназначен для импорта файлов, содержащих геометрическую информацию, созданных иными комплексами (например, средствами CAD).
Лицензионная обучающая версия не имеет возможности импорта и экспорта. Студенты получают информацию об этих операциях чисто информативно.
Помимо перечисленных, имеются и иные модули, имеющие свое назначение, но они также отсутствуют в обучающей версии.
Комплекс ANSYS позволяет создавать непосредственно сетку конечных элементов (то есть узлы и элементы), а также геометрическую модель, на основе которой далее создается сетка конечных элементов.
В связи с развитием и широким распространением средств CAD импорт ранее созданных файлов представляется наиболее удобным вариантом создания рас четных моделей, который может применяться в инженерной практике.
Общепринятая последовательность расчета конструкции в среде комплекса МКЭ ANSYS сводится к следующим шагам:
Импорт или создание геометрической модели;
Выбор применяемых типов конечных элементов, указание данных материалов, размеров и формы поперечных сечений, а также геометрических характеристик (толщины и прочих характерных размеров оболочек и иных элементов );
Создание сетки конечных элементов;
Приложение нагрузок (в комплексе ANSYS нагрузки могут прикладываться и к объектам геометрической модели, и к объектам расчетной модели);
Указание опций проведения расчета и вывода расчетных данных;
Проведение собственно расчета;
Ознакомление с результатами.
2. Файлы комплекса МКЭ ANSYS
В этой главе приведено описание наиболее часто применяемых файлов, конечных элементов и средств графического интерфейса пользователя комплекса ANSYS, используемых при расчете на прочность машиностроительных конструкций.
Любой программный комплекс при работе создает временные и постоянные файлы. Разумеется, такие файлы создаются и комплексом ANSYS.
В состав постоянных файлов, создаваемых и применяемых при работе комплекса ANSYS, входят следующие (см. табл. 2.1):
Таблица 2.1. Типы файлов.
Расширение
|
Тип файла
|
Описание
|
DB
|
Двоичный
|
Файлы базы данных
|
DBB
|
Двоичный
|
Резервный файл базы данных
|
ELEM
|
Текстовый
|
Файл данных элементов (создается для записи информации об элементах)
|
EMAT
|
Двоичный
|
Матрицы элементов
|
ERR
|
Текстовый
|
Файл сообщений о предупреждениях и ошибках
|
ESAV
|
Двоичный
|
Данные элементов, применяемые при нелинейных расчетах
|
FULL
|
Двоичный
|
Глобальные матрицы жесткости и масс
|
IGES
|
Текстовый
|
Файл с данными геометрической модели
|
LOG
|
Текстовый
|
Файл протокола
|
MP
|
Текстовый
|
Файл с данными материалов (в расчете не используется)
|
NODE
|
Текстовый
|
Файл с координатами узлов
|
OUT
|
Текстовый
|
Выходной текстовый файл комплекса ANSYS
|
RST
|
Двоичный
|
Файл результатов расчета задач МДТТ
|
SNN
|
Текстовый
|
Файл шага нагрузок
|
NRI
|
Двоичный
|
Матрица жесткости, приведенная к треугольному виду
|
Временные файлы отличаются от постоянных тем, что при нормальном выходе из комплекса временные файлы удаляются автоматически. При аварийном выходе из комплекса временные файлы сохраняются, и некоторые из них следует удалять самому пользователю. К таким файлам относится, например, блокирующий файл *.lock, не позволяющий вызывать в одной и той же рабочей директории два задания с одним и тем же именем.
В таблице перечислены наиболее часто используемые файлы. Полный список файлов можно найти в официальной документации.
Название файла (Jobname), как правило, является общим для всех временных и постоянных файлов и указывается при вызове сеанса работы с комплексом ANSYS в специальной панели Launcher.
Файл базы данных (*.DB) содержит всю информацию о геометрической и расчетной моделях, нагрузки, и иные данные. В общем случае, в него можно записать и результаты расчета, но в этом случае размер файла может оказаться весьма значительным.
Резервный файл базы данных (*.DBB) является предыдущей сохраненной версией файла базы данных.
Файл *.OUT, содержащий значения перемещений, реакций и прочих расчетных объектов, в общем случае, дублирует файл результатов RST, но, благодаря своему текстовому формату, может использоваться для выполнения дополнительных операций.
Файлы *.NODE, *.ELEM и *.МР обеспечивают возможность передачи координат узлов, элементов и свойств материалов в другие комплексы.
Файл протокола (*.LOG) содержит последовательность записей обо всех вызывавшихся в ходе сеанса работы с комплексом ANSYS командах. При необходимости, данный текстовый файл может быть изменен и использован в качестве командного файла для создания и проведения расчета новой модели.
Помимо файла протокола в базе данных комплекса имеется свой протокол, который также может быть сохранен в текстовом виде и в дальнейшем использован для проведения расчетов.
3. Библиотека конечных элементов
Библиотека конечных элементов комплекса МКЭ ANSYS содержит свыше 170 типов конечных элементов, из которых 94 могут применяться при расчете задач МДТТ (и еще 9 входят в состав модуля LS-DYNA).
В состав совокупности элементов, применяемых при расчете задач МДТТ (механики деформируемого твердого тела), входят следующие группы элементов:
сосредоточенная масса MASS21;
стержень двухмерных (2D) задач LINK1;
стержни трехмерных (3D) задач LINK8, LINK 10, LINK11, LINK180;
балки двухмерных (2D) задач ВЕАМЗ, ВЕАМ23, ВЕАМ54;
балки трехмерных (3D) задач ВЕАМ4, ВЕАМ24, ВЕАМ44, BEAM 188,
ВЕАМ189;
двухмерные (2D) элементы, поддерживающие плоское напряженное, плоское деформированное и осесимметричное состояние PLANE2, PLANE25, PLANE42, PLANE82, PLANE83, PLANE145, PLANE146, PLANE182, PLANE183;
трехмерные (3D) объемные элементы SOLID45, SOLID64, SOLID65,SOLID92, SOLID95, SOLID147, SOLID148, SOLID185, SOLID186, SOLID187;
двухмерные (2D) оболочки SHELL51, SHELL61, SHELL208, SHELL209;
трехмерные (3D) оболочки SHELL28, SHELL41, SHELL43, SHELL63, SHELL93, SHELL143, SHELL150, SHELL181;
трехмерная (3D) оболочка с узлами, расположенными на внешних ее поверхностях (то есть имеющая форму объемного элемента) SOLSH190;
элементы трубопроводов PIPE16, PIPE17, PIPE18, PIPE20, PIPE59,PIPE60;
элементы газовых уплотнений, двухмерные (2D) и трехмерные (3D),INTER192, INTER193, INTER194, INTER195;
элемент многоточечных связей (шарнир, ползун и т.д.) МРС184;
многослойные элементы (применяемые для расчета композитных конструкций) SOLID46, SHELL91, SHELL99, SOLID191;
элементы расчета задач гиперупругости HYPER56, HYPER58, HYPER74, HYPER84, HYPER86, HYPER158;
элементы расчета задач вязкоупругости VISCO88, VISCO89, VISCO106, VISCO107, VISCO108;
контактные элементы CONTAC12, CONTAC52, TARGE169, TARGE170, CONTA171, CONTA172, CONTA173, СONTA174, CONTA175, CONTA178;
комбинированные элементы (шарниры, упругие демпферы, предварительно нагруженные соединения и пр.) COMBIN7, COMBIN14, COMBIN37, COMBIN39, COMBIN40, PRETS179;
элемент с матрицей жесткости, непосредственно указываемой пользователем, MATRIX27;
суперэлемент (подконструкция) MATRIX50;
элементы поверхностных эффектов SURF153, SURF154;
элемент следящей нагрузки FOLLW201;
вспомогательный элемент, не имеющий жесткости, MESH200.
Ниже кратко описаны отдельные типы конечных элементов комплекса ANSYS.
3.1. Элемент сосредоточенной массы
Конечный элемент сосредоточенной массы MASS21 имеет 1 узел. Этот элемент имеет 6 степеней свободы: перемещения в направлении осей X, Y и Z узловой системы координат и повороты вокруг этих осей. При помощи признака KEYOPT(3) ненужные степени свободы можно удалить.
Для элемента можно указывать массу и момент инерции. При использовании особой опции для элемента можно указывать объем, но, в этом случае, для элемента требуется указывать еще и плотность материала.
Элемент может использоваться в задачах с большими перемещениями. Элемент поддерживает операции рождения и смерти.
При визуализации на экране элемент отображается особыми символами - прямоугольником при изображении элементов с учетом их геометрических характеристик и поперечным сечением или звездочкой при изображении элементов без учета геометрических характеристик.
При создании расчетной модели (сетки конечных элементов) на основе ранее созданной геометрической модели данные элементы создаются в точках (объектах типа keypoint).
3.2. Стержневые элементы
Как указывалось выше, для двухмерных (2D) и трехмерных (3D) задач применяются отдельные типы конечных элементов стержней.
В обоих случаях элементы стержней воспринимают только растяжение-сжатие, и не воспринимают кручение и изгиб. Элементы имеют 2 узла и по 2 (в двухмерных (2D) задачах) или по 3 (в трехмерных (3D) задачах) степени свободы - перемещения в направлении осей X, Y и Z узловой системы координат.
Как правило, для каждого элемента стержня указываются площадь поперечного сечения и начальная деформация (последнее не является обязательным).
Основными применяемыми типами стержней являются LINK1, LINK8 и LINK180.
Для последнего элемента дополнительно можно указывать добавочную массу (но не указывается начальная деформация).
Элемент LINK10 может воспринимать (в зависимости от указанных для него опций): только растяжение или сжатие, то есть может использоваться для расчета тросов, вант и растяжек, или отдельных видов пружин.
Элемент LINK11 применяется для моделирования гидроцилиндров.
Для элементов LINK1, LINK8, LINK 10 и LINK 180 обязательно следует указывать модуль Юнга, а также коэффициент температурного расширения, плотность и коэффициент демпфирования (при необходимости).
|
Рис. 3.1. Изображение элемента LINK 180 на экране
|
При визуализации на экране элемент
отображается параллелепипедом при изображении элементов с учетом их геометрических характеристик и поперечного сечения или линией при изображении элементов без учета геометрических характеристик. Поперечное сечение этого параллелепипеда зависит от значения площади сечения.
Элементы LINK1, LINK8 и LINK180 могут использоваться в расчете задач пластичности, ползучести, задач с большими перемещениями, а также поддерживают операции рождения и смерти.
При создании расчетной модели на основе ранее созданной геометрической модели стержневые элементы создаются на основе линий (объектов типа line).
3.3. Балочные элементы
Балки являются элементами с одной осью, поддерживающими свойства растяжения-сжатия, изгиба и кручения. Две балки (ВЕАМ188 и ВЕАМ189) поддерживают стесненное кручение. Балки имеют два (ВЕАМЗ, ВЕАМ23, ВЕАМ54), три (ВЕАМ4, ВЕАМ24, ВЕАМ44, ВЕАМ188) или четыре (ВЕАМ189) узла. Для балок, применяемых для расчета трехмерных (3D) задач один из узлов является ориентационным и предназначен для указания направления системы координат элемента.
Практически все балочные элементы (ВЕАМЗ, ВЕАМ23, ВЕАМ54, ВЕАМ4, ВЕАМ24, ВЕАМ44 и ВЕАМ188) имеют по 2 узла на оси. Элемент ВЕАМ189 имеет три узла на оси и может использоваться для расчета балок с искривленной осью.
При расчете трехмерных (3D) задач балочные элементы могут применяться для моделирования естественно закрученных балок.
Балочные элементы ВЕАМЗ, ВЕАМ4, ВЕАМ23, ВЕАМ24, ВЕАМ44 и ВЕАМ54 построены на основе технической теории балок (балка Бернулли-Эйлера). Балочные элементы ВЕАМ188 и ВЕАМ189 являются балками Тимошенко. В каждом узле балки имеют от трех до 7 степеней свободы:
>перемещения UX, UY и ROTZ (то есть 2 осевых перемещения и поворот) в двухмерных (2D) задачах для элементов ВЕАМЗ, ВЕАМ23, ВЕАМ54;
>перемещения UX, UY, UZ, ROTX, ROTY и ROTZ (3 осевых перемещения и 3 поворота) в трехмерных (3D) задачах для элементов ВЕАМ4, ВЕАМ24, ВЕАМ44;
>перемещения UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ и WARP (последнее - перемещение стесненного кручения) для элементов ВЕАМ188 и ВЕАМ189.
Для различных типов балочных элементов процедуры указания свойств поперечного сечения существенно различаются. Для части балок размеры и форма поперечного сечения указываются через геометрические характеристики, которые включают в себя высоту и ширину, площадь поперечного сечения и различные моменты инерции. Эти значения следует определять отдельно путем дополнительных вычислений или по справочникам. В то же время для части элементов размеры и форма поперечного сечения (ВЕАМ44, ВЕАМ188, BEAM 189) указываются посредством упрощенной процедуры использования поперечных сечений, в состав которых входят формы наиболее распространенных сортаментов проката. Пользователю остается только подставить при помощи специальных диалоговых панелей нужные ему размеры. Вычисление всех остальных данных проводится автоматически.
Элемент ВЕАМЗ является балкой произвольного поперечного сечения. Элемент ВЕАМ4 является балкой произвольного поперечного сечения. Элемент ВЕАМ23 может иметь поперечное сечение прямоугольное, цилиндрическое, полое цилиндрическое и произвольного вида. Данный элемент имеет возможность учета пластического поведения материала.
Элемент ВЕАМ24 является тонкостенной балкой, для которой допускается поперечное сечение открытого профиля или замкнутого односвязного профиля. При указании геометрических свойств поперечного сечения элемента это поперечное сечение делится на отдельные сегменты, для каждого из которых указываются точки начала и конца и толщина сегмента. Данный элемент имеет возможность учета пластического поведения материала.
Элемент ВЕАМ44 является скошенной балкой, то есть допускает указание различных свойств поперечного сечения в каждом узле.
Элемент ВЕАМ54 является скошенной балкой, то есть допускает указание различных свойств поперечного сечения в каждом узле.
Элементы ВЕАМ188 и ВЕАМ189 могут применяться в задачах, учитывающих пластичность, ползучесть, вязкоупругость и вязкопластичность, а также при наличии больших деформаций и больших перемещений. При визуализации на экране без учета геометрических характеристик или поперечных сечений балочные элементы отображаются в виде линий. При учете геометрических характеристик (и отсутствии поперечных сечений) балочные элементы отображаются в виде габаритных параллелепипедов. При наличии поперечного сечения балочные элементы отображаются достаточно реалистично (см. рис. 3.2).
Для балочных элементов обязательно следует указывать модуль Юнга, а также коэффициент температурного расширения, плотность и коэффициент демпфирования (при необходимости). В ряде случаев следует указывать коэффициент Пуассона. При создании расчетной модели на основе ранее созданной геометрической модели стержневые элементы создаются на основе линий (объектов типа line).
|
Рис. 3.2. Изображение элемента BEAM 188 на экране
|
3.4. Двумерные элементы плоского деформированного, плоского напряженного и осесимметричного состояния
К двухмерным (2D) элементам, поддерживающим плоское напряженное, плоское деформированное и осесимметричное состояния, относятся элементы PLANE2, >LANE25, PLANE42, PLANE82, PLANE83, PLANE145, PLANE146, PLANE182, PLANE183.
Данные элементы могут иметь треугольную или четырехугольную форму, и являться элементами I или II порядков (то есть иметь линейную или квадратичную аппроксимацию поля перемещений).
Элементы создаются в плоскости XY глобальной декартовой системы координат. Элементы применяются для двухмерного (2D) моделирования объемных (3D) тел.
В большинстве случаев, в каждом узле элементов имеется по 2 степени свободы перемещения UX и UY в направлении осей узловой системы координат.
В состав данных элементов включаются также гармонические элементы (то есть элементы, применяемые для расчета осесимметричных моделей при наличии неосесимметричных нагрузок), к которым относятся элементы PLANE25 и PLANE83. Гармонические элементы имеют по 3 степени свободы в узле перемещения UX, UY и UZ в направлении осей узловой системы координат.
Кроме того, элементы PLANE145 и PLANE146 являются р-элементами, и имеют расширенные возможности аппроксимации поля перемещений и напряжений, благодаря чему могут применяться для получения достаточно точных решений на относительно грубых сетках.
Несмотря на различие форм элементов, они имеют множество общих черт. В частности, подавляющее число таких элементов (PLANE2, PLANE42, PLANE82, PLANE145, PLANE146, PLANE182, PLANE183), в зависимости от признаков KEYOPT, могут применяться для расчета задач с плоским деформированным состоянием, с плоским напряженным состоянием, с плоским напряженным состоянием с указанием толщины, а также осесимметричных.
Как правило, данные элементы (за исключением PLANE25, PLANE83, PLANE 145 и PLANE 146) могут применяться в задачах, учитывающих пластичность, ползучесть, а также при наличии больших деформаций и больших перемещений.
Указание геометрических характеристик для данных элементов не требуется, за исключением применения опции расчета задач плоского напряженного состояния с указанием толщины, когда эта толщина необходима.
При визуализации элементов на экране использование геометрических характеристик не требуется. Вид сетки, построенной из элементов PLANE82, показан на рис. 3.4.
|
Рис. 3.3. Вид сетки, построенной из элементов PLANE82
|
3.5. Объемные элементы
Объемные элементы (SOLID45, SOLID64, SOLID65, SOLID92, SOLID95, SOLID147, SOLID148, SOLID185, SOLID186, SOLID187) предназначены для расчета объемных тел произвольной формы, к которым прикладываются произвольно ориентированные в пространстве нагрузки.
Элементы могут иметь форму гексаэдра или тетраэдра. В особых случаях элементы - гексаэдры могут также иметь форму трехгранной призмы или пирамиды с четырехугольным основанием. Элементы могут иметь линейную или квадратичную аппроксимацию поля перемещений.
Элементы имеют по 3 степени свободы в каждом узле - перемещения в направлении осей X, Y и Z узловой системы координат.
Большинство элементов не требуют обязательного указания геометрических характеристик, хотя таковые и могут использоваться в ряде случаев. Исключением является элемент SOLID65 (элемент железобетонных конструкций), для которого требуется указание номера материала, объема и ориентации арматуры.
Элементы SOLID147 и SOLID148 - р- элементы.
При создании нерегулярной сетки на основе геометрических моделей сложной формы предпочтительнее использовать элементы-тетраэдры, а не элементы-гексаэдры.
В большинстве случаев, объемные элементы обладают свойствами учета пластичности, ползучести и больших перемещений, а в ряде случаев, и больших деформаций.
Объемные элементы SOLID185, SOLID186 и SOLID187 могут применяться задачах, учитывающих пластичность, ползучесть, вязкоупругость и вязкопластичность, а также при наличии больших деформаций и больших перемещений.
При визуализации элементов на экране использование геометрических характеристик не требуется. Вид сетки, построенной из элементов SOLID95, показан на рис. 3.4.
|
Рис. 3.4. Вид сетки из элементов SOLID95
|
Элементы могут использовать анизотропные материалы. Для элементов обязательно следует указывать модуль Юнга и коэффициент Пуассона, а также коэффициент температурного расширения, плотность и коэффициент демпфирования (при необходимости).
При создании расчетной модели на основе ранее созданной геометрической модели элементы описываемых типов создаются на основе объемов (объектов типа volume).
3.6. Элементы оболочек
Оболочки, как балки и стержни, могут быть двухмерными (2D) и трехмерными (3D). Помимо оболочек, существуют мембраны, не воспринимающие изгиба.
Двухмерные оболочки SHELL51 и SHELL61 имеют четыре степени свободы в каждом узле: перемещения UX, UY, UZ и ROTZ (то есть 3 осевых перемещения и поворот).
Двухмерные оболочки SHELL208 и SHELL209 имеют три степени свободы в каждом узле: перемещения UX, UY и ROTZ (то есть 2 осевых перемещения и поворот).
Трехмерные оболочки SHELL43, SHELL63, SHELL93, SHELL143, SHELL150, SHELL181 имеют шесть степеней свободы в каждом узле: перемещения UX, UY, UZ, ROTX, ROTY и ROTZ (3 осевых перемещения и 3 поворота) в узловой системе координат.
Трехмерная сдвиговая мембрана SHELL28 имеет 3 степени свободы в каждом узле: UX, UY и UZ (3 осевых перемещения) в узловой системе координат. Данный элемент также имеет опцию закручиваемой панели (в этом случае в качестве степеней свободы выступают повороты ROTX, ROTY и ROTZ).
Трехмерная мембрана SHELL41 имеет 3 степени свободы в каждом узле: UX, UY и UZ (3 осевых перемещения) в узловой системе координат.
Элемент SHELL150 является р-элементом.
Большинство оболочек (SHELL51, SHELL43, SHELL93, SHELL143) обладает свойствами учета пластичности, ползучести и больших перемещений, а в ряде случаев, и больших деформаций.
Элементы оболочек SHELL181, SHELL208 и SHELL209 могут применяться в задачах, учитывающих пластичность, ползучесть, вязкоупругость и вязкопластичность, а также при наличии больших деформаций и больших перемещений.
|
Рис. 3.5. Изображение элемента Shell 150
|
Толщина оболочек указывается при помощи набора геометрических характеристик. Для ряда оболочек толщина может указываться в нескольких узлах. Если толщина указывается только в одном узле, значения толщины в прочих узлах равны этому указанному значению.
Толщина оболочки обязательно должна быть указана хотя бы в одном узле.
При визуализации на экране без учета геометрических характеристик элементы отображаются в виде поверхностей.
При визуализации элементов мембран и оболочек с учетом геометрических характеристик изображение элементов выглядит достаточно реалистично (см. рис. 3.5).
Элементы могут использовать анизотропные материалы. Для элементов обязательно следует указывать модуль Юнга и коэффициент Пуассона, а также коэффициент температурного расширения, плотность и коэффициент демпфирования (при необходимости).
При создании расчетной модели на основе ранее созданной геометрической модели двухмерные (2D) элементы оболочек создаются на основе линий (объектов типа line). Трехмерные (3D) элементы оболочек создаются на основе поверхностей (объектов типа area).
3.7. Элементы трубопроводов
Элементы трубопроводов создаются на основе трехмерных (3D) балок. Для создания моделей трубопроводов обычно применяются специальные процедуры препроцессора. В состав элементов трубопроводов входят следующие элементы:
PIPE16 - упругая прямая труба. Для элемента в числе геометрических характеристик могут указываться следующие данные: наружный диаметр трубы, толщина стенки, коэффициенты концентрации напряжений
в узлах, плотность протекающей жидкости, плотность внешней изоляции, толщина слоя изоляции, допускаемая толщина слоя коррозии и иные;
PIPE17 - упругий тройник. Для элемента в числе геометрических характеристик могут указываться следующие данные: наружные диаметры труб колен, толщины стенок, коэффициенты концентрации в узлах, плотность
протекающей жидкости, плотность внешней изоляции, толщина слоя изоляции, допускаемая толщина слоя коррозии и иные;
PIPE18 - упругая искривленная труба (колено). Для элемента в числе геометрических характеристик должны указываться практически те же данные, что и перечисленные выше, а также радиус изгиба колена;
PIPE20 - прямая труба с возможностью пластического поведения материала. Для элемента в числе геометрических характеристик могут указываться следующие данные: наружный диаметр трубы, толщина стенки, коэффициенты концентрации напряжений в узлах;
PIPE59 - погруженная в воду труба или кабель. Для данного элемента могут указываться 14 геометрических характеристик, включая наружный диаметр трубы, толщина стенки и начальную деформацию в осевом направлении;
PIPE60 - упругая искривленная труба (колено) с возможностью пластического поведения материала.
При визуализации на экране без учета геометрических характеристик элементы трубопроводов отображаются в виде линий. При визуализации с использованием геометрических характеристик элементы отображаются в виде труб.
|
Рис. 3.6. Элемент трубопровода
|
3.8. Контактные элементы
В комплексе ANSYS существуют три модели контакта: поверхность с поверхностью, поверхность с узлом и узел с узлом.
В особых случаях контактные элементы могут использоваться для связи балок с оболочками (стыка торца балки с ребрами оболочек), балок с объемными элементами (стыка торца балки с гранями объемных элементов) и оболочек с объемным телом (по ребрам оболочек и граням объемных элементов). Подобные приемы позволяют существенно снижать размерность сетки конечных элементов.
При использовании контактных элементов типа узел с узлом между узлами двух контактирующих тел создаются особые связи (контактные элементы), через которые могут передаваться усилия (при наличии контакта).
При использовании контактных элементов типа поверхность с поверхностью на контактирующие границы накладываются контактные и ответные элементы (контактные пары), посредством которых определяются контактные взаимодействия.
Все контактные элементы являются нелинейными и требуют использования итерационных методов расчета.
Для работы с контактными элементами в препроцессоре комплекса ANSYS имеются специальные средства, позволяющие создавать контактные элементы (контактные пары) в автоматизированном режиме.
Для контактных элементов могут указываться от 6 (элемент CONTAC12) до 26 (элемент CONTA175) геометрических характеристик. Обычно при расчете задач МДТТ все эти значения указывать не требуется.
Для создания контактных пар, изменения их свойств, просмотра и удаления применяется специальная диалоговая панель Contact Manager.
При расчете контактных задач МДТТ контактные элементы позволяют учитывать начальные зазоры и натяги контактирующих тел.
При визуализации контактных элементов они представляются в виде, достаточно близком к оболочкам или пластинам (хотя и не имеют толщины, см. рис. 3.8).
|
Рис. 3.7. Изображение контактных элементов
|
Элементы газовых уплотнений, двухмерные (2D), INTER192, элемент I порядка, INTER193, элемент II порядка, и трехмерные (3D), INTER194 элемент I порядка и INTER195, элемент II порядка, располагаются между двухмерными (2D) элементами объемного НДС или объемными элементами. Для материалов газовых уплотнений отдельно требуется указывать свойства уплотнений при сжатии и снятии нагрузки - линейном или нелинейном.
Многослойные элементы (элементы, применяемые при расчете композитных конструкций) могут быть объемными (SOLID46 и SOLID191), или оболочками (SHELL91 и SHELL99). Номера материалов для отдельных слоев, углы ориентации слоев и толщины слоев указываются в виде геометрических характеристик элементов, как для объемных элементов, так и для элементов оболочек.
Элементы расчета задач гиперупругости могут быть двухмерными (2D), как HYPER56, HYPER74 и HYPER84, или трехмерными (3D), как HYPER58, HYPER86 и HYPER158.
Элементы расчета задач вязкоупругости также могут быть двухмерными (2D), как VISCO88, VISCO106, VISCO108 или трехмерными (3D), как VISCO89 VISCO107.
Суперэлемент (подконструкция) MATRIX50 создается пользователем и применяется при помощи специальных процедур (проходы создания, использования и расширения). Свойства материала суперэлемента в задачах МДТТ могут быть только линейными.
|
Рис. 3.8. Вид элементов SURF154, построенных на торце объемного тела
|
Элементы поверхностных эффектов SURF153 (2D) и SURF154 (3D) создаются на торцах и гранях элементов объемного НДС (2D) или объемных конечных элементов. Визуализируются данные элементы точно так же, как и оболочки. Для данных элементов требуется указывать толщину в узлах, но можно также указывать жесткость упругого основания, добавочную массу и иные данные. Вид элементов SURF154 показан на рис. 3.8.
Вспомогательный элемент MESH200, не имеющий жесткости, имеет множество вариантов форм. Данный элемент применяется, прежде всего, для упрощения отдельных работ при построении сеток.
4. Графический интерфейс пользователя
Графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface, GUI) служит для удобства работы пользователя в среде комплекса ANSYS. Графический интерфейс пользователя включает в себя следующие объекты:
выпадающее меню (Utility Menu);
экранное меню (Main Menu);
командная строка (Command Input Area)
панели инструментов (Standard Toolbar и ANSYS Toolbar);
графическое окно (Graphics Window);
текстовое окно (Output Window);
область указания состояния (Status and Prompt Area);
дополнительные панели инструментов (пиктограммы настройки изображения);
дополнительные, появляющиеся на экране панели указания и диалоговые панели, необходимые для выполнения отдельных операций.
|
Рис. 4.1 Вид графического интерфейса пользователя
|
Каждый из объектов Графического интерфейса пользователя (меню, панели инструментов, графическое и текстовое окно и так далее) имеет свои функции. В отдельных случаях, часть этих функций может дублироваться, а соответствующие функциям операции (вызываемые различными командами комплекса) могут вызываться различными способами, из различных составных частей интерфейса (например, из экранного выпадающего меню и панели инструментов).
Краткое описание каждого из объектов приведено ниже.
Выпадающее меню (Utility Menu) содержит команды операций с файлами, активным набором, изображением объектов геометрической и расчетной моделей и результатами расчета, системами координат, параметрами, вызов справки и некоторые другие команды. Это меню, как правило, может использоваться на любых этапах работы с комплексом (при создании геометрической и расчетной модели, при выполнении вычислений и при анализе результатов). Выпадающее меню вызывает следующие функции:
File - операции с файлами (см. рис. 4.2):
Clear & Start New - очистка текущей базы данных. Данная команда уничтожает всю имеющуюся в памяти модель и, фактически, вызывает заново сеанс работы с комплексом ANSYS. В случае, если ранее использовавшаяся модель не была сохранена в файле базы данных (файле *.db), все результаты работы стираются;
Change Jobname - указание имени задания (то есть названия всех файлов, используемых при работе с комплексом ANSYS);
Change Directory... - указание директории, в которой создаются все файлы, используемые комплексом ANSYS;
Change Title... - указание заголовка задания (то есть текста, отображенного на графическом экране, при работе с комплексом). Заголовок задания является исключительно информационным и не влияет на работу.
Resume Jobname.db... - чтение базы данных из файла, название которого совпадает с текущим именем задания;
Save as Jobname.db…- запись базы данных в файл, название которого совпадает с текущим именем задания;
Save as… - запись базы данных в файл, название которого задается пользователем при помощи специальной диалоговой панели;
Write DB log file …- запись протокола базы данных в текстовый (ASCII) файл;
Read input from … чтение последовательности выполняемых команд комплекса из текстового (ASCII) файла
List – просмотр содержания текстовых (ASCII) или бинарных файлов, созданных комплексом;
File Operation – операции с имеющимися файлами (изменение названия, удаление, копирование);
Import – импорт геометрических моделей, созданных ранее средствами CAD (то есть файлов в формате IGES (*.igs), ACIS (*.sat), Parasilid (*.x_t) и т.д.);
Export …- экспорт созданной в среде комплекса ANSYS геометрической модели в формате IGES (*.igs);
Report Generator… - вызов генератора отчета (в формате HTML);
Exit … - выход из комплекса ANSYS (объем сохраняемой информации указывается при помощи специальной диалоговой панели);
|
